基金会现场(FF)总线指南

基金会现场总线是一种全数字、串行、双向的通讯系统，将现场 设备，诸如传感器、执行器等，和控制器连接起来。现场总线是应用 于过程和制造自动化领域设备级的局域网，并可将控制分散在整个网 内。
在全球范围内，smar 已安装了数百个现场总线控制系统。这些 系统使用成套设备和增 值软件。主要是各种现场设备和拥有这些接口 的 LC700可编程控制器。这使得模拟信号与离散 信号挂起钩来。控制 策略分布在现场设备中。能做到这一点，除了因为现场设备中 微处 理器有功能块外，设备间迅速而可靠的通讯也很重要。现场总线如此
活动表维护
所有响应传输令牌(PT)的设备清单被称为“活动表”。
各种新设备可随时加到现场总线上，LAS 周期性地向那些不在活动表中的地址发送节点探 测 (PN)报文。如果一个设备正好出现在该地址上，且收到了PN，它就立即返回一个探测响应 (PR)报文。若设备以PR 作出回答，LAS 就将该设备加到活动表上，并向该设备发送一个节点活 动 报文以确认此添加。
数据链路的 时间同步
LAS 周期性的在现场总线上广播一个时间发布(TD)报文，使所有设备正确的拥有相同的数 据 链路时间。这一点是重要的，因为在现场总线上的通信调度和在用户应用中受调度的功能块 的执行，是以从这些报文中获得的信息为基础的。
度器上的确定的集中式总线调度程序，管理对现场总线的访问。
设备类型
DLL 是现有IEC/ISA DLL标准的一个子集。
在DLL 规范中定义了两种类型设备： • 基本设备 • 链路设备
链路设备是能变为链路活动调度器(LAS)的设备，基本设备不具备变为LAS 的能力。
B9
受调度通信
备份 LAS (主站) 功能
F I E L D B U S B4
OSI 模型*
> 现场总线模型
用户应用
smar
用户应用
开放式互连结构 通讯模型(OSI)
应用层
现场总线报文规范
7
现场总线访问子层
表示层
6
会话层
5
传输层
4
网络层
3
数据链路层
2
物理层
1
>
>
数据链路层 物理层
*OSI模型没有定义用户应用
通信栈 物理层
物理层是 OSI 第一层，数字链层(DLL)是 OSI 第二层。现场总线报文规范(FMS)是 OSI 第 七层。 现场总线通讯栈由 OSI 模型第二到第七层构成。
31.25kbit/s 设备可由现场总线直接供电，也能在原有的4~20mA设备的线路上运行。
31.25kbit/s 现场总线也以总线供电设备方式支持本质安全(IS)的。为此，应在安全区域的电 源 和危险区域的本质安全设备之间加上本质安全栅。
31.25 kbit/s 现场总线的布线
现场总线允许“树型”或“分支”。
节省硬件
安装
控制分散到现场设备可以减少 I/O 模板和控制器以及相应的模板底板、机箱和电源。 现场总线允许多台设备挂接在一对电缆上。这样可以减少电缆、安全栅和安装盒。
安装简便.
数据质量和数量
在传统的自动化系统中，除了过程参数外没有更多的有用信息。在基金会现场总线中，由 于采用了数字通讯，信息量大大增加。
通讯栈
以下描述通讯栈各层的运作。 通信栈
>
用户应用
现场总线报文规范 现场总线访问子层
用户应用
C O M M通U N信I栈C A T I O N 揝 TA CK
>
数据链路层 物理层
物理层
数据链路层 ( D L L )
第二层，数据链路层(DLL)，控制报文在现场总线上的传输，DLL通过一个叫做链路活动调
当LAS向设备X发送传输令牌时，报文在现场总线一以队列传送。报文可以发给单个 目标， 也可发给多个目标(多发送)。
活动表 a
LAS b c
PT (x)
LAS = 链路活动调度器 PT = 传输令牌
现场总 线
报文
>
数据 a 设备 x
数据 a
链路活动 调度器的运 作
以下部分描述链路活动调度器(LAS)的所有操作，LAS 所用的算法见下图。
现场总线
基本 设备
链路上 设备
基本 设备
基本 设备
LAS
链路上 设备
基本 设备
链路活动调度器(LAS)中有一张传输时刻表，这张时刻表对所有需要周期性传输的设备中的 所有数据缓冲器起作用。
当设备发送缓冲区数据的时刻到时，LAS 向该设备发出一个强制性数据(CD)。
一旦收到C D，该设备广播或“发布”该缓冲区数据到现场总线上的所有设备，所有被组态 为接收该数据的设备被称为“接收方”(subscriber)。
带有微处理器的现场总线设备具有自诊断和通讯能力，因而减少了系统停车时间，提高了 工厂安全。
一旦发现不正常情况或设备需要预维护，操作工和维修人员会被通知，从而采取及时正确 的行动。
TUTORIAL
过程视野扩展图
互可操作性
基金会现场总线是开放的协议，这意味着来自不同生产厂家的经过基金会认证的设备互可操 作。
在现场总线上的所有设备都有机会在调度报文传送之间发送“非调度”报文。
非调度通信
LAS 通过发布一个传输令牌(PT)给一设备，允许该设备使用现场总线。当该设备接收到PT 时，它就被允许发送报文，直到它发送完毕或“最大令牌持有时间”到为止，无论哪一种时间都 较短。
TUTORIAL > >
> >
非调度通信 F I E L D B U S B10
在LAS向发送方发送强制数据时， 数据缓冲寄存器中的报文，向现场总线上所有设备 广播，接收方收听报文广播。
调度数据传输
调度表 a
LAS
b c
>
CD (a)
LAS = 链路活动调度器 CD = 强制数据
现场总
线
报文
>
>
>
数据 a 发送方
数据 a 接收方
数据 a 接收方
调度数据传输常用于现场总线各设备间，将控制回路的数据进行有规律的、准确的传输。
结束定界符 1
* 协议控制信息 ** 协议数据单元 *** 如果使用中继器，前同步信号可以多于一个八位字
B5
TUTORIAL >
物理层
物理层根据国际电工技术委员会(IEC)和国际测量与控制学会(ISA)批准的标准定义。 物理层从通讯栈接收报文，并将其转换成现场总线通信介质上传输的物理信号，反之亦然。
工厂网络系统图
奇妙的灵活，使设备可以按照用户的需要进行安排组态，满足从小系 统到整个工厂的控制要求。基金会现场总线技术改变了过程管理的内 容，借 助它的能力和大量的新的信息，控制系统可以实现其他许多 功能，诸如新的组态、在线诊断、维护记录以及维护工具。
现场总线是 smar 过程自动化的解决方案。
F I E L D B U S B2
在同一系统中，不依赖某一个厂商，而又可运行多种设备，同时没有任何功能丧失，这种能 力称为互可操作性。
灵活选择提供商，并预先确保设备互可操作，事实上，是最终用户的奇妙的成功。
基金会现场总线技术
基金会现场总线技术包括三个部分：
1. 物理层 2. 通讯栈 3. 用户层
采用开放式互连结构(OSI)通讯模型来模型化这些组成部分。
smar
链路活动调度器的算法
在发布 下一个CD之前 有时间做其它
工作吗？
等待直至发布
否
CD时间到
பைடு நூலகம்
等待期间发
空闲报文
发布CD
C D = 强制数据
是
P N = 探测结点
T D = 时间分配
P T = 传输令牌
发布 PN, TD或 PT
CD 的调度
CD 的调度包含一个活动表，周期性的产生受调度的活动。以精确的时间，LAS 向现场总 线 设备的一个特定时间缓冲区发送强制数据(CD)报文。该设备立即向现场总线上所有的设备广 播或“发布”一个报文。这是LAS 执行的最高优先级的活动。其他操作只在受调度传输之间 进 行。
> 现场总线布线
USER LAYER
COMMUNICATION 揝 TA CK
PHYSICAL LAYER
>>
>
现场总线的长度由通信速率、电缆类型、线径、总线供电选择和I.S. 选择决定。
高速以太网
链接设备用来互连31.25kbit/s 总线并将其接入高速以太网(HSE)，其骨干网速率为100Mbit/s 或1Gbit/s。如下图所示，I/O 子系统接口允许其他一些总线，诸如DeviceNet、Profibus等，与基金 会现场总线标准功能块互连。这种 I/O 子系统接口可以接入31.25Kbit/s 总线或HSE。
减少硬件
现场总线优势
应用现场总线技术，在控制系统应用周期内可以获得巨大的益处。
smar
基金会现场总线使用标准功能块完成控制策略。功能块是标准的自动化函数。许多控制系 统功能块，诸如模拟输入、模拟输出、PID控制等功能都可以通过使用功能块由现场设备完成。
以模块为基础，设计一致的功能块，使来自不同厂家的设备可以无缝的集成在一起。
转换任务包括加上和除去前同步信号、起始定界符和结束定界符。
USER APPLICATION
Example of Voltage mode signaling.
PHYSICAL LAYER
>
现场总线信号采用熟知的曼彻斯特双相-L(MANCEESTER-BIPHASE-L)技术进行编码，该信 号被称为“同步串行信号”，是因为在串行数据流中包含了时钟信息。数据与时钟信号混合形成 现场总线信号，如下图所示。现场总线信号接收器把在1个比特时间中间的正跳变作为逻辑 “0”，负跳变作为逻辑“1”。